巨磁阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。
效應(yīng)概念
巨磁阻效應(yīng)（Giant Magnetoresistance）是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，磁阻效應(yīng)的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個(gè)納米厚）結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時(shí)的電阻值，電阻在很弱的外加磁場(chǎng)下具有很大的變化量。巨磁阻效應(yīng)被成功地運(yùn)用在硬盤生產(chǎn)上，具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
效應(yīng)發(fā)現(xiàn)
早在1988年，阿爾貝·費(fèi)爾和格林貝格爾就各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時(shí)，法國(guó)的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個(gè)月，德國(guó)優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。
基本知識(shí)
眾所周知，計(jì)算機(jī)硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲(chǔ)信息的。一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū)。
磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個(gè)磁盤面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭。當(dāng)磁頭“掃描”過磁盤面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。
最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實(shí)際需求。因?yàn)槭褂眠@種磁頭，磁致電阻的變化僅為之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強(qiáng)度的磁場(chǎng)，且磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢(shì)必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來越弱。
1997年，全球首個(gè)基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了巨磁阻效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。
GMR器件
上圖所示是一種雙端自旋電子元件，又被稱為自旋閥，是硬盤讀取頭的重要組成部分。它的工作原理很簡(jiǎn)單，首先將其置于外加磁場(chǎng)中，利用外加磁場(chǎng)的變化來改變兩鐵磁層的相對(duì)磁化強(qiáng)度取向平行或反平行。當(dāng)兩鐵磁層的磁化取向相同，即平行時(shí)，可以觀察到通過器件的電流較大，也就是說電阻較小而當(dāng)兩鐵磁層的磁化取向，由于其本身的磁化強(qiáng)度的不同在外加磁場(chǎng)的作用下改變?yōu)榉雌叫袝r(shí)，通過器件的電流會(huì)同時(shí)變小，即電阻變大，這也是我們測(cè)試自旋電流長(zhǎng)程輸運(yùn)方法的理論基礎(chǔ)。在性能良好的器件中，有時(shí)電阻的變化會(huì)達(dá)到十的六次方，這也是其被稱為巨磁阻的原因。
應(yīng)用
巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（Read Head）。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場(chǎng)的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
在Grünberg最初的工作中他和他領(lǐng)導(dǎo)的小組只是研究了由鐵、鉻（鉻）、鐵三層材料組成的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電阻下降了。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了。
阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)造就了計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創(chuàng)下了世界記錄。硬盤的容量從4GB提升到了600GB或更高。
諾貝爾獎(jiǎng)
2007年10月，科學(xué)界的最高盛典—瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉了。本年度，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”。
巨磁阻到底是什么？巨磁阻又稱特大磁電阻，龐磁電阻等。其MR(磁電阻)可高達(dá)10的6次方。
諾貝爾評(píng)委會(huì)主席佩爾·卡爾松用比較通俗的語(yǔ)言解答了這個(gè)問題。他用兩張圖片的對(duì)比說明了巨磁阻的重大意義：一臺(tái)1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正因?yàn)橛辛诉@兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲(chǔ)的信息量才得以大幅度提升。根據(jù)該效應(yīng)開發(fā)的小型大容量硬盤已得到了廣泛的應(yīng)用。
正如一位中國(guó)科研人員所言：“看看你的計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)能力有多大，就知道他們的貢獻(xiàn)有多大了。”或許我們這才明白，司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費(fèi)品，居然都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒。諾貝爾獎(jiǎng)并不總是代表著深?yuàn)W的理論和艱澀的知識(shí)，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中。
新一代硬盤
采用自旋閥研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲(chǔ)密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領(lǐng)磁頭市場(chǎng)的隨著低電阻高信號(hào)的TMR的獲得，存儲(chǔ)密度達(dá)到了1000億位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盤廠商希捷（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現(xiàn)已達(dá)到1TB（1024GB）容量，足以收錄多達(dá)200小時(shí)的高清電視內(nèi)容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲(chǔ)密度在最近幾年內(nèi)每年的增長(zhǎng)速度達(dá)到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來將能夠進(jìn)一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。
除讀出磁頭外，巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測(cè)量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)國(guó)內(nèi)也已具備了巨磁阻基礎(chǔ)研究和器件研制的良好基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所及北京大學(xué)等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對(duì)低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對(duì)大磁矩膜的研究均有較高水平。
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